RU2140110C1

RU2140110C1 - Silicon production method

Info

Publication number: RU2140110C1
Application number: RU97103790A
Authority: RU
Inventors: В.И. Казбанов; А.Г. Оладо; В.И. Трофимов; Г.М. Рыбаченко; Т.К. Казбанова
Original assignee: Институт химии и химико-металлургических процессов СО РАН
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1997-03-12
Publication date: 1999-10-20

Abstract

FIELD: silicon production. SUBSTANCE: invention relates to silicon production method distinguishing from known carbothermic ones in that cubic-structure dense silicon is prepared from materials containing other elements, aluminum, and phosphorus by affecting mixture of crystalline substances containing mainly oxygen, aluminum, and phosphorus by electromagnetic field with density at least 10¹¹ A/sq.m. Invention can be used in creating new materials. Emission spectral analysis and mass-spectrum data support formation of silicon. EFFECT: expanded technical possibilities in high-pressure silicon production.

Description

Изобретение относится к способам получения элементов, в частности элементарного кремния, который может быть использован для получения новых материалов. The invention relates to methods for producing elements, in particular elemental silicon, which can be used to obtain new materials.

Известные способы получения элементарного кремния [1] основаны на восстановлении оксида кремния углеродсодержащими веществами по реакции
SiO₂ + 2C ---> Si + 2 CO.Known methods for producing elemental silicon [1] are based on the reduction of silicon oxide by carbon-containing substances by reaction
SiO ₂ + 2C ---> Si + 2 CO.

Порошкообразную смесь исходных веществ восстанавливают в электрической дуге и выплавляют технический элементарный кремний. Наиболее близким способом для достижения технического результата является способ получения плотного кремния, другой кристаллической модификации, обработкой обычного кремния при высоком давлении более 20 МПа [2]. Все технологически используемые способы получения элементарного кремния основаны на выделении из кремнийсодержащих оксидных материалов в процессе восстановления, карботермии. A powdery mixture of starting materials is reduced in an electric arc and technical elemental silicon is melted. The closest way to achieve a technical result is a method for producing dense silicon, another crystalline modification, by treating ordinary silicon at a high pressure of more than 20 MPa [2]. All technologically used methods for the production of elemental silicon are based on the isolation of silicon-containing oxide materials in the recovery process, carbothermy.

Предлагаемый способ основан на превращении (трансмутации) других химических элементов алюминия и фосфора в элементарный кремний. В этом его отличие от способа прототипа. Превращение достигается пропусканием электрического тока через смесь кристаллических веществ, содержащих основные элементы O, Al, P, при плотности тока не менее 10¹¹ А/м².The proposed method is based on the conversion (transmutation) of other chemical elements of aluminum and phosphorus into elemental silicon. This is its difference from the prototype method. The conversion is achieved by passing an electric current through a mixture of crystalline substances containing the basic elements O, Al, P, at a current density of at least 10 ¹¹ A / m ² .

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств, а именно получение впервые кремния высокого давления из других химических элементов. Техническим результатом также можно считать получение кремния кристаллической модификации высокого давления при атмосферном давлении. The technical result of the invention is the expansion of the arsenal of technical means, namely, obtaining for the first time high pressure silicon from other chemical elements. The technical result can also be considered obtaining silicon crystalline modification of high pressure at atmospheric pressure.

Пример. На смесь кристаллических веществ, содержащих основные элементы O, Al, P, в пространстве между электродами действовали импульсным электрическим током плотностью более 10¹¹ А/м². Образец анализировали на содержание кремния в сопоставлении с исходной смесью. Гравиметрический анализ в форме оксида кремния, полученного после выщелачивания образца водным слабощелочным раствором NaOH, последующего осаждения и отделения кремниевой кислоты и высушивания до постоянной массы [3], показал 10 мас.% кремния в продукте.Example. A mixture of crystalline substances containing the basic elements O, Al, P in the space between the electrodes was acted upon by a pulsed electric current with a density of more than 10 ¹¹ A / m ² . The sample was analyzed for silicon content in comparison with the initial mixture. Gravimetric analysis in the form of silicon oxide obtained after the sample was leached with an aqueous slightly alkaline NaOH solution, followed by precipitation and separation of silicic acid and drying to constant weight [3], showed 10 wt.% Silicon in the product.

Применяли эмиссионный спектроскопический анализ, спектрометр ИСП-28 с источником, плазмотроном дугового типа килогерцевого диапазона частот [4]. We used emission spectroscopic analysis, an ISP-28 spectrometer with a source, an arc-type plasmatron of the kilohertz frequency range [4].

Линии кремния

2881, 2528, 2516, 2506 обнаружены в исходных смесях (менее 1 мас.%). В продукте увеличение их интенсивности в 6 раз подтверждает образование кремния. Линии дублетов алюминия

3082 - 3092; 2652 - 2669; 2568 - 2575; 2367 - 2373 обнаружены во всех образцах, но интенсивность их в исходной смеси в 5 раз выше. Линии фосфора

2554, 2553, 2534 и др. высокой интенсивности найдены в исходных смесях, в продуктах они отсутствуют за исключением очень слабой линии 2535

Применяли энергомасс-анализатор ЭМАЛ-2 для масс-спектрометрического анализа исходных смесей и продуктов превращения по разработанной методике определения кремния в режиме безфракционного испарения образца с помощью лазера и регистрации на фотопленке после разделения потока ионов. В масс-спектрах продукта наблюдали пики ионов изотопов кремния (m/e): однозарядных 28, 29, 30 и двухзарядных 14, 14,5, 15 с относительной интенсивностью, согласующейся с эталонным образцом кремния. В масс-спектрах исходной смеси обнаруживаются следовые количества кремния. В обоих образцах наблюдали пики 13,5; 27 ионов алюминия и 15,5; 31 ионов фосфора, соответственно двух- и однозарядных.Silicon lines

2881, 2528, 2516, 2506 were found in the initial mixtures (less than 1 wt.%). A 6-fold increase in their intensity in the product confirms the formation of silicon. Aluminum doublet lines

3082-3092; 2652-2669; 2568 - 2575; 2367–2373 were found in all samples, but their intensity in the initial mixture was 5 times higher. Phosphorus lines

2554, 2553, 2534, and others of high intensity were found in the initial mixtures; they are absent in the products with the exception of a very weak line 2535

An EMAL-2 energy mass analyzer was used for mass spectrometric analysis of the initial mixtures and conversion products according to the developed method for determining silicon in the mode of fractionless sample evaporation using a laser and recording on photographic film after separation of the ion flux. In the mass spectra of the product, peaks of silicon isotope ions (m / e) were observed: singly charged 28, 29, 30 and doubly charged 14, 14.5, 15 with a relative intensity consistent with the reference silicon sample. Trace amounts of silicon are detected in the mass spectra of the initial mixture. In both samples, peaks of 13.5 were observed; 27 aluminum ions and 15.5; 31 phosphorus ions, respectively, doubly and singly charged.

Рентгенограммы записывали на дифрактометре ДРОН-4 в CuK_α монохроматическом излучении. Сравнивали рентгенограммы исходной смеси, продукта и остатка продукта после кислотного выщелачивания. В рентгенограммах продукта, в том числе после выщелачивания, найдены уширенные рефлексы d,

2,689, 2,334, 1,558, 1,106, отвечающие кубической фазе плотного кремния высокого давления (более 20 МПа) [2, 5] , не перекрывающиеся с рефлексами других присутствующих фаз. В продукте после выщелачивания преобладают фазы α- и γ- Al₂O₃. По уширению рефлекса d = 2,689

(I/I₀ = 100%), оценен размер - менее 320

микрокристаллитов фазы плотного кремния.X-ray diffraction patterns were recorded on a DRON-4 diffractometer in CuK _α monochromatic radiation. Radiographs of the initial mixture, product, and product residue after acid leaching were compared. In radiographs of the product, including after leaching, broadened reflexes d,

2,689, 2,334, 1,558, 1,106, corresponding to the cubic phase of dense high-pressure silicon (more than 20 MPa) [2, 5], not overlapping with reflexes of other phases present. After leaching, the phases dominate in the product are α- and γ-Al ₂ O ₃ . By broadening of the reflex d = 2,689

(I / I ₀ = 100%), estimated size - less than 320

microcrystallite phase of dense silicon.

Полученные результаты для продукта в сравнении с исходной смесью подтверждают образование кремния в результате превращения (трансмутации) алюминия и фосфора. The obtained results for the product in comparison with the initial mixture confirm the formation of silicon as a result of the conversion (transmutation) of aluminum and phosphorus.

При плотности тока менее 10¹¹ А/м² кремний не образуется из других химических элементов исходной смеси и не обнаруживается описанными методами анализа.When the current density is less than 10 ¹¹ A / m ^2, silicon is not formed from other chemical elements of the initial mixture and is not detected by the analysis methods described.

Изобретение позволяет получать элементарный кремний из других элементов, алюминия и фосфора. Кроме того, плотный кремний с кубической кристаллической структурой получается без использования техники высоких давлений более 20 МПа. The invention allows to obtain elemental silicon from other elements, aluminum and phosphorus. In addition, dense silicon with a cubic crystalline structure is obtained without the use of high pressure techniques of more than 20 MPa.

Claims

A method of producing silicon, including the production of high-pressure elemental silicon, characterized in that silicon is obtained from the chemical elements of aluminum and phosphorus by the action of an electric current with a density of more than 10 ¹¹ A / m ² on a mixture of crystalline substances containing oxygen, aluminum, phosphorus.